Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Д.В.Незлин, В.П.Бец, С.В.Павленко
Москва 2007
Цель работы: изучить структуру и принцип действия цифрового дальномера; экспериментально определить его характеристики.
Продолжительность работы - 4 ч.
Обеспечение занятия: персональный компьютер с матричной системой компьютерной математики Matlab 7.0, программное обеспечение лабораторной работы в папке methodic/МРТУС/Радиотехнические системы/Лабораторные работы/Лабораторная работа №3.
Теоретические сведения
Измерение дальности в радиолокации. Следящий дальномер
Дальность объекта R до импульсной радиолокационной станции (РЛС) определяется путем измерения времени запаздывания сигнала, отраженного от объекта, относительно зондирующего импульса (ЗИ) передатчика (рис.1):
,
где - скорость распространения радиоволн. Обозначим буквой истинное значение времени задерж ки, а будем относить к измерен ному значению этой величины.
Для измерения координат объектов в РЛС и в других радиотехнических системах обычно используют следящие измерители, построенные как следящие системы. Подобные измерители состоят из двух элементов: дискриминатора и управляющего устройства (сглаживающей цепи), представленных на рис.2. В управляющем устройстве формируется оценка измеряемого параметра сигнала (в данном случае ). Эта величина в дискриминаторе сравнивается с истинным значением задержки входного сигнала . Разность (рассогласование)
управляет формированием оценки таким образом, что уменьшается. Если имеет постоянное значение или изменяется весьма медленно, то .
В дальномере оценкой времени запаздывания сигнала является время задержки специального импульса - так называемого расщепленного строба, состоящего из двух смежных импульсов (стробов), формируемых в управляющем устройстве. Стробы и импульс сигнала иллюстрируются далее.
Как следует из рис.2, функция дискриминатора заключается в выработке напряжения рассогласования (или соответствующего числа в цифровом устройстве), определяемого величиной . Зависимость выходного напряжения дискриминатора от рассогласования , показанная на рис.3, называется дискриминационной характеристикой. При малых рассогласованиях линейно зависит от :
. (1)
Величина , называемая крутизной дискриминационной характеристики, представляет собой коэффициент передачи дискриминатора. Его размерность в аналоговом дискриминаторе [] = В/с или чаще [] = В/мкс.
В цифровом дискриминаторе выражается в единицах числа на микросекунду. Дискриминатор - практически безынерционное звено измерителя. При малых рассогласо ваниях это звено в соответствии с формулой (1) можно считать линейным.
Величина зависит и от амплитуды сигнала на входе дискрими натора. Постоянство значения на практике обеспечивается путем стабили за ции амплитуды импульса с помощью автоматической регулировки усиления (АРУ) приемника.
Как следует из рис.3, при больших рассогласованиях напряжение (число) на выходе дискриминатора обращается в нуль, и следящий дальномер оказывается неработоспособным. Поэтому для нормальной работы дальномера необходимо предварительно грубо совместить строб с сигналом цели, т.е. выполнить целеуказание.
Управляющее устройство состоит из масштабирующего звена, интегрирующих звеньев и преобразователя (рис.4). Последний используется для преобразования напряжения (числа) в оценку временной задержки . Коэффициент передачи цифрового интегратора . Поэтому коэффициент передачи цифрового управляющего устройства равен , где и - соответственно коэффициенты передачи масштабатора и преобразователя. Поскольку последний используется для преобразования числа в задержку строба, имеет размерность мкс/ед.
Коэффициент передачи разомкнутой петли цифрового дальномера равен
. (2)
Его размерность , т.е. - безразмерная величина.
Цифровой дальномер с расщепленным стробом
Дальномер можно выполнить в виде специализированного устройства, включающего в себя такие функциональные микросхемы, как сумматоры, умножители, счетчики, регистры, или в виде программируемого устройства.
Хотя в лабораторной установке используется программируемый вариант, рассмотрим структуру и элементы специализированного устройства (с астатизмом первого порядка) как наиболее наглядного.
Блок-схема временного дискриминатора приведена на рис.5, а временные диаграммы - на рис.6. Аналого-цифровой преобразователь осуществляет временную дискретизацию и амплитудное квантование входного сигнала (рис.6а). Выборки берутся в моменты прихода импульсов дискретизации (ИД) (рис.6,б, 6,в). Накапливающий сумматор, состоящий из арифметическо-логического устройства (АЛУ) и регистра (РГ), вырабатывает число, соответствующее временному рассогласованию . Для этого сумма выборок сигнала за время действия первого строба берется со знаком минус, а сумма выборок за время действия второго строба - со знаком плюс (рис.6,г,д). Разность , являющаяся функцией рассогласования , представляет собой выход дискриминатора. Эта величина обнуляется в момент формирования
очередного зондирующего импульса (рис.6,е).
Для повышения отношения сигнал/шум число на выходе дискриминатора можно усреднять (накапливать) в течение М периодов следования зондирующих импульсов. По прошествии этого времени накопленное число делится на М и подается на вход интегратора. Сразу после этого регистр РГ обнуляется, и дискриминатор готов к работе в течение очередных М периодов следования. В данной лабораторной работе М = 128.
Число на выходе дискриминатора (дискриминационная характеристика) является ступенчатой функцией временного рассогласования середины расщепленного строба и середины импульса сигнала (рис.9). Иногда рассматривают сглаженную характеристику, показанную на рис.9 штриховой линией.
Цифровой интегратор представляет собой накапливающий сумматор, подобный использованному в дискриминаторе, но без сброса. Начальное значение числа в регистре накапливающего сумматора, соответствующее начальной задержке расщепленного строба, устанавливается в режиме целеуказания (перед переходом в режим слежения). В отличие от дискриминатора в интеграторе отсутствует управление полярностью входных чисел. Выходное число интегратора изменяется на величину поступающего на его вход очередного числа с выхода дискриминатора. Период тактирования интегратора, равный периоду поступления чисел с выхода дискриминатора, составляет
, (3)
где Tсл - период следования зондирующих импульсов.
Цифровое устройство управляемой временной задержки весьма просто реализуется с помощью двоичного счетчика. На его информационные входы подается управляющее число , на вход предварительной записи - импульс запуска передатчика, на вход обратного счета - импульсы кварцевого генератора с периодом следования T1.
Таким образом, в момент формирования ЗИ в счетчик записывается число . Затем это число уменьшается на единицу с приходом каждого импульса кварцевого генератора. Следовательно, содержимое счетчика обратится в нуль спустя время после очередного зондирующего импульса. При этом на одном из выходов счетчика формируется импульс с задержкой относительно ЗИ. Значит, задержка импульса, пропорциональная числу , изменяется с дискретом .
В данной лабораторной работе число устанавливается с помощью клавиатуры S1 (в ЭВМ), как целеуказание о начальной дальности, или это число снимается с выхода интегратора дальномера в режиме слежения.
Масштабирующее звено представляет собой умножитель с коэффициентом умножения
. (4)
Рассмотрим теперь работу дальномера первого порядка в целом (рис.8).
Предположим, что середина расщепленного строба задержана относительно середины сигнала, как показано на рис.6. Тогда выходное число дискриминатора отрицательно. Вследствие этого число на выходе интегратора будет уменьшаться. Уменьшается и задержка строба до тех пор, пока рассогласование сигнала и строба не обратится в нуль. При этом выходное число интегратора перестанет изменяться (если цель не движется).
В случае движущейся цели задержка отраженного сигнала изменяется со скоростью , где - скорость движения цели. С такой же скоростью должна изменяться задержка строба. Для этого входное число интегратора должно быть пропорционально . Но это число может образоваться только при наличии рассогласования сигнала и строба. Подобное рассогласование называется динамической ошибкой измерения дальности (в микросекундах), поскольку причиной появления ошибки является динамика цели.
Дальномер с астатизмом второго порядка включает два каскадно соединенных интегратора, один из которых для обеспечения устойчивости устройства содержит корректирующую цепочку.
Описание компьютерной модели лабораторной установки
В ходе лабораторной работы исследования характеристик цифрового дальномера проводятся на компьютерной модели, показанной на рис.9.
Рис.9. Структурная схема компьютерной модели дальномера.
С помощью блока Init Subsystem задается траектория движения цели (закон изменения дальности) и начальное положение стробов дальномера. Закон изменения времени задержки отраженного сигнала относительно зондирующего (дальности) аппроксимируется полиномом третьей степени . Блок Init Subsystem вырабатывает управляющее напряжение, определяющее задержку отраженного сигнала относительно зондирующего.
В блоке Mod Subsystem производится генерация последовательности радиоимпульсов со следующими параметрами:
Рис. 10. Структурная схема блока Mod Subsystem.
Устройство Delay задерживает сигнал на время, соответствующее управляющему напряжению, поступившему на вход In1 от блока Init Subsystem. Устройство Noise позволяет добавить к сформированному (задержанному относительно зондирующего) сигналу шум необходимой мощности.
С помощью осциллографа Transmitter control scope можно пронаблюдать следующие сигналы:
В блоке Demod Subsystem производится демодуляция сигнала, сигнал обрабатывается следующими устройствами: полосно-пропускающим фильтром PB, согласованным с радиоимпульсом (= 5,1924 рад/мкс, = = 7,3739 рад/мкс), детектором Saturation и ФНЧ LP (=1,5 рад/мкс).
Осциллограф Receiver control scope позволяет пронаблюдать следующие сигналы:
Временной дискриминатор работает по следующей схеме: на вход перемножителя x0 поступают сигнал с выхода демодулятора и т.н. расщепленный строб, генерируемый устройством Strobe Gen. Результатом является напряжение рассогласования, которое накапливается на интеграторе Int0 и подается на вход следующего цифрового интегратора в момент прихода импульса от устройства Imp Gen (при помощи перемножителя x1), а затем обнуляется. Интегратор Int1 не имеет принудительного сброса и накапливает напряжение, управляющее задержкой маркера следящего устройства, в течение всего времени работы схемы. Затем управляющее напряжение суммируется с постоянной составляющей, определяющей начальное положение маркера, и поступает на устройства задержки расщепленного строба и контрольного импульса, а также на выход следящего устройства.
Осциллограф Trace control scope позволяет пронаблюдать следующие зависимости:
Осциллограф Main control scope отображает управляющее напряжение, определяющее задержку сигнала, и управляющее напряжение на выходе следящего устройства, т.е. собственно иллюстрирует работу следящей системы. Для наглядности и экономии вычислительных ресурсов, задержка сигнала отображается в масштабе 1000:1.
Красным отмечены:
Программа и методика выполнения лабораторной работы.
Студенты выполняют лабораторную работу в соответствии с вариантами, приведенными в таблице 1.
Таблица 1 – Варианты заданий
|
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
1. Ознакомление с работой следящего дальномера |
||||||||||
|
Начальное положение строба, км |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
12 |
14 |
16 |
18 |
|
Начальное положение цели, км |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
14 |
16 |
18 |
20 |
|
Скорость цели, м/с |
400 |
300 |
400 |
300 |
400 |
300 |
-300 |
-400 |
-300 |
-400 |
В соответствии с номером Вашего варианта в табл.1 выберите значения начального положения строба и начального положения цели. Для ввода значений начальных установок осуществите их перевод в соответствующие временные интервалы по формуле и введите численные значения начального положения цели (параметр блока Init Subsystem) и начальное положение строба (параметр ) в микросекундах.
Для формирования модели движения цели введите значение радиальной составляющей скорости цели из табл.1. Не забудьте при этом провести преобразование[м/с] в значение параметра [мкс/с] блока Init Subsystem, аналогично п.1.1.
Примечание. С целью повышения наглядности изучаемого процесса путем уменьшения времени анализа вводится значение скорости в 1000 раз больше.
Пронаблюдайте с помощью осциллографа Transmitter control scope передаваемые сигналы, а с помощью осциллографа Receiver control scope принятые приемником сигналы. Сохраните в отчете эпюры сигналов. Свяжите значения параметров сигналов, принятых приемником, с параметрами траектории полета цели. Определите дальность до цели в различные моменты времени по измерению времени запаздывания отраженного сигнала относительно зондирующего.
С помощью осциллографа Main control scope пронаблюдайте процесс захвата и постановки на сопровождение цели.
Меняя скорость движения цели (параметр [мкс/с] блока Init Subsystem) установите (качественно) характер зависимости динамической ошибки от скорости цели. Увеличивая значение скорости, добейтесь срыва режима сопровождения цели по дальности.
Добавляя к сигналу шум с помощью блока Mod Subsystem установите (качественно) характер зависимости шумовой ошибки дальномера от уровня шума. Увеличивая уровень шума, добейтесь срыва режима сопровождения цели по дальности.
Сохраните эпюры сигналов в отчете.
Разомкните петлю обратной связи (переключатель Break). Дискриминационная характеристика получается автоматически при изменении положения цели относительно неподвижного строба, что и обеспечивается при разомкнутой петле обратной связи дальномера - третья эпюра осциллографа Trace control scope (см. рис).
Коэффициент передачи дискриминатора определяется на линейном участке характеристике, на котором выбираются две симметричные относительно нуля точки с координатами и . Крутизна дискриминационной характеристики вычисляется по формуле
[В/мкс].
Замкните петлю обратной связи дальномера с помощью переключателя Break. По эпюре на осциллографе Trace control scope снимите временное положение и передних фронтов двух стробов на участке сопровождения цели (см. рис.), а также соответствующие им значения управляющего напряжения и . Коэффициент передачи схемы управляемой задержки определяется как отношение изменения временного положения стробов (остаток от деления разности временных значений на 192) к изменению управляющего напряжения , вызвавшему этот сдвиг [мкс/В].
Рассчитайте коэффициент передачи разомкнутой петли дальномера по формуле .
Рассчитайте динамическую погрешность по формуле [мкс], где =192мкс, 0,002*1000=2, K0 – из предыдущего пункта.
Определите по показаниям осциллографа Main control scope динамическую задержку из разности между значениями управляющих напряжений задержки сигнала и строба в точке примерно соответствующей половине периода строба (см. рис.), . Сравните результаты и зафиксируйте их в отчете. Практическая ошибка будет несколько больше из-за задержек при фильтрации сигнала.
Установите мощность шума равной 0,5, пронаблюдайте сигнал на осциллографах Receiver control scope и Trace control scope. Найдите и зафиксируйте в отчете экспериментальное значение ошибки, для этого возьмите среднее значение результатов 3 экспериментов, аналогичных описанным выше в п.3.
Установите мощность шума достаточной для срыва слежения (~1,5 - 2), пронаблюдайте и зафиксируйте в отчете показания осциллографа Main control scope.
Установите мощность шума равной 0, =10, c=0,002 (=300 м/с), =0,0000003, a=0. Переключатель Ast ½ установите в положение, соответствующее отключенному второму каскаду интегратора. Пронаблюдайте и зафиксируйте в отчете срыв слежения на осциллографе Main control scope. Установите переключатель Ast ½ в положение, соответствующее подключенному второму каскаду, повторите эксперимент и зафиксируйте и объясните результаты.
Требования к отчету
В отчете нужно привести результаты всех расчетов и измерений, зарисовки наблюдавшихся осциллограмм, графики дискриминационной характеристики (исходной и сглаженной). Должны быть указаны размерности всех величин, фигурирующих в отчете. Каждый пункт отчета должен быть озаглавлен.
Вопросы для контроля
готовности к выполнению работы
Примечание. При допуске к лабораторной работе задаются вопросы 1 - 7, а во время зачета может быть задан любой вопрос из приведенного списка.
Литература